摘 要 随着高炉往大型化和长寿化的发展，炉缸碳砖的重要性越发为人们所注目，但目前大高炉用碳砖还主要依赖进口。对于炉缸碳砖的质量，特别是左右碳砖寿命的平均气孔孔径等的重要指标方面，目前还没有特定用于高炉碳砖的检测方法和标准。本文通过分析大高炉的工作特征，优化了[耐火材料气孔孔径分布试验方法/YB-T 118-1997]的测试条件，并对目前常用的多种炉缸用碳砖作了该项目的测试；通过将其测试结果和相对应的铁水渗透试验结果等进行系统的比较和理论分析，验证了本研究提倡的高炉碳砖气孔孔径分布试验方法的合理性。另外，对长寿高炉所必须具备的碳砖气孔孔径分布和平均气孔径的绝对值进行了有益的探讨。

关键词 高炉碳砖 气孔径分布和平均气孔径 铁水渗透

1 前言

改革开放的近三十年以来，我国的钢铁行业取得了巨大的进步。粗钢产量从1978年3，178万吨发展到2012年的7亿1，700万吨，占世界总产量的近60%，是名副其实的世界钢铁大国。随着我国钢铁工业的发展，高炉的大型化和长寿化越来越受到重视[1]-[13]。特别是高炉的长寿是降低企业固定成本最有效措施，意味着经济效益的提高[14]-[22]。高炉的寿命受制于许多因素，但通常取决于炉缸碳砖的质量，特别是死铁层部位的碳砖质量[23]-[39]。碳砖的质量通常由下列指标来表征：抗铁水渗透性，耐铁水侵蚀性，耐碱性，强度和导热系数等等[23]-[43]。但铁水的渗透是导致碳砖溶损的主要因素，也就是说碳砖的气孔径是左右高炉长寿的非常重要的影响因子[44]-[57]。为此，通过减小气孔径，来尽可能地防止铁水的渗透。例如众所周知的，铁水能够渗透到大于1μm的气孔。在炉缸的不同部位，对碳砖气孔径的要求也不一致。例如，铁口以下的炉缸区域，要求采用超微孔碳砖（Super Micro-Pore Carbon Block.）。但是，目前对超微孔碳砖还没有统一的定义和判断标准，其评价用试验方法也没有统一。本文测定了碳砖的气孔径分布和平均气孔径，并将其结果和碳砖的铁水压入试验结果做了比较，考察了抗铁水渗透性与气孔径分布和平均气孔径的关系。

2 实验结果

2.1 试验材料

目前在大高炉炉缸区常用的五种碳砖A、B、C、D、E，其物性见表1：

（表1）

2.2 气孔径分布和平均气孔径的测定结果

根据耐火材料微气孔孔径分布标准YB/T118-1997测定了供试材料的显气孔的孔径分布和平均孔径，以及小于1μm气孔的孔容积百分率。测试用仪器的规格见表2，供试材料的测试结果见图1。

（表2）（图1）（表3）

表3的平均孔径是，如图1所示，供试材料的显气孔的总容积作为100%，孔容积累加量达到总容积的50%时的气孔直径。如表3所示，供试材料A和B的平均孔径最小为0.05μm，C次之为0.11μm，D最大达1.58μm。另外，＜1μm孔径的孔容积百分率（%）是指＜1μm孔径的孔容积占孔总容积的百分比。如表3所示，供试材料A和B的＜1μm孔径的孔容积百分率为最高达97%以上，C和D次之为73-79%，E最低为42.9%。也就是说，供试材料A和B的气孔基本上都由＜1μm孔径的微孔构成，相对与C和D和E不易被铁水渗透。

2.3 铁水渗透试验

因还没有铁水渗透试验的标准测试方法[58]-[60]，本研究模拟炉缸风口下方的铁水死铁层与碳砖的工作条件，制作了图2的坩锅试样和图3所示的模拟试验炉。坩锅试样的尺寸为外径55mm和高70mm，内孔径15mm和深50mm且上部有20mm高的连接用内螺纹。模拟试验炉的试验温度为1550度，坩锅试样内铁水重量18g；试验前抽真空排除坩锅试样内的空气后，通入氩气至5个大气压确认坩锅试样的气密性。试验时升温到1550度保温10分钟后，通入氩气至5个大气压并保持30分钟后降温冷却。冷却后的坩锅试样通过X光摄影，来检测铁水渗透到供试材料的程度。

从图4可以看到A和B供试材料没有发生铁水的渗透现象；C和D和E都发生了铁水的渗透，E更为严重。

（图2）（图3）（图4）

3 讨论

3.1 气孔径分布和平均气孔径的测定值和供试样品形状以及试验条件对比

因无论是行业标准YB/T 118-1997，还是要求比较严格的日本标准JIS R 1655: 2003，对碳砖的气孔径分布和平均气孔径的测试条件，如表4所示供试样品的重量和形状等都没有明确的规定。本研究尝试了为提高测试的精度和结果的可比性，从碳砖的特点出发，对没有规定的制样等条件推荐了相应的参数。本研究进行了多次重复的测试，获得了良好的重现性。

（表4）

3.2 气孔径和铁水渗透的关系

碳砖中的气孔有一端封闭的非贯通气孔（图5和图6的左侧）和贯通气孔（图5和图6的右侧），另外，根据铁水和碳砖的润湿角，铁水渗透可以分为小于90度的图5和大于90度的图6两类。

（图5）（图6）

当润湿角Ѳ小于90度时，铁水渗透是不可避免的。对贯通气孔来说，如图5的右侧所示铁水会顺着气孔渗透出来；或者说碳砖内存在温度梯度时，铁水可以一直渗透到铁水的固液线温度1150度的位置。但对非贯通的开口气孔来说，如图5的左侧所示，铁水会顺着气孔渗透渗透到气孔内的压力达到铁水的静压时的位置，此时的渗透深度l/L可以用下面的方程式（1）来描述。

l/L=1-1/P （1）

其中，P为靠近铁水侧的静压，L为气孔的长度。

由（1）式可以获得铁水渗透的深度（相当于气孔长度的分率l/L）与碳砖上方承受的铁水静压P的关系图7。如图7所示，铁水渗透的深度达到气孔径深度的70-90%。由此可以得出杜绝贯通气孔和减少未贯通气孔的长度是减少铁水渗透深度的必要条件。

当润湿角Ѳ大于90度时，铁水渗透的最小直径D可以用如下的Laplace方程式（2）来描述。

D=-4σcosѲ/ΔP （2）

其中，σ为铁水的表面张力，ΔP为靠近铁水侧的压力和气孔内的压力差。

根据文献[61]记载，纯铁的表面张力可以用经验式（3）来估算。

σ=1862-0.39*（T-1530） N/M （3）

其中，T为铁水温度。

另外，铁水中的五元素碳硅锰硫磷对铁水表面张力的影响在-444～-115N/M[62]、根据（3）式可以获得1550度时的铁水表面张力为1410～1739N/M。铁水与90%碳+5%TiC+5%TiN的润湿角为126度[63]。则通过方程式（2）得到图8所示铁水渗透的最小气孔径随铁水静压的变化关系。碳砖承受的最大静压可以由铁水层深度（3-5M），渣层厚度（1-3M）和炉顶压力（1-2.5kg/cm2）之和（3.6-7.2kg/cm2），从图8可以获得铁水渗透的最小气孔径为4.2-11μm。由此可以得出杜绝铁水渗透的必要条件是根除碳砖中的大于4.2-11μm的气孔，并非是平均气孔径的大小。

从上述的结果得出，防止铁水渗透的措施可以归纳有二；首先是铁水与碳砖的润湿角Ѳ大于90度，其次是碳砖中气孔径大于4.2-11μm的气孔为零。

3.3 防止铁水渗透的对策

3.3.1 铁水与碳砖的润湿角

目前，有关铁水与碳砖的润湿角方面的测定值不多见。建议测试一些代表性的碳砖和不同碳含量铁水的润湿角。另外，从图4的照片来看，A和B内凝固后的凝铁呈向上凸的形状，可以推定铁水与A和B试验样品的润湿角大于90度。

3.3.2 碳砖中的气孔径

行业标准YB/T 118-1997的测定对象是耐火材料，侧重于测定小于1μm的微气孔径分布和平均气孔径。本研究从碳砖在高炉炉缸的工作特性进行的探讨结论，建议强化测试大于4μm以上的气孔径分布。图9是图1中右侧直径大于1μm的部分的放大图。图9所示，A和B大于4μm以上的气孔容积率小于3%，和图4的试验结果一致几乎没有发生铁水的渗透。

（图7）（图8）（图9）

4 结论

本文通过分析大高炉的工作特征，优化了[耐火材料气孔孔径分布试验方法/YB-T 118-1997]的测试条件，并对目前常用的多种炉缸用碳砖作了该项目的测试；通过将其测试结果和相对应的铁水渗透试验结果等进行系统的比较和理论分析，得出了如下结果。

（1）在碳砖中防止发生铁水渗透的必要条件有二；首先是铁水与碳砖的润湿角Ѳ大于90度，其次是碳砖中气孔径大于4.2-11μm的气孔容积为零。也可以说，碳砖的平均气孔径对铁水渗透没有直接的相关性。

（2）用[耐火材料气孔孔径分布试验方法/YB-T118-1997]来测试碳砖的气孔孔径分布和平均气孔径时，建议侧重检测大于4.2-11μm的气孔容积占总气孔容积的百分比。该百分比越小表明耐铁水渗透性越好。

（3）为提高大于4.2-11μm的气孔容积占总气孔容积的百分比的精确度，建议供试样品的形状为8mm×8mm×15mm，表面平滑光洁；水银计量管的内径为1.5mm。

（4）目前，有关铁水与碳砖的润湿角方面的测定值不多见。建议测试一些代表性的碳砖和不同碳含量铁水的润湿角。

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